宇宙の誕生と成長

どうせ始めるなら、初めから始めた方がいいのではないか。 科学者たちが信じている宇宙の歴史上最も古い出来事、ビッグバンに時計を巻き戻してみましょう。 ビッグバンとは、宇宙がどのようにして今日のような姿になったかを説明する最良の方法なので、ほとんどの人が聞いたことがあるでしょう。 ビッグバンという言葉は少し誤解を招きやすいのですが、この出来事は微視的に行われたもので、音は発生しなかったかもしれません。 音は空気などの媒質がないと伝わりません。 しかし、このときはまだ媒質がなかったので、おそらく無音だったのでしょう。 ビッグバンという名前は、実はビッグバン理論の反対者であるフレッド・ホイルがつけたのですが、それにもかかわらず定着してしまいました。 宇宙のすべてが物質とエネルギーの1つの小さな点に凝縮されたと想像してください。 この極小で高密度の物体には、今後存在するすべてのもののエネルギーと原子が含まれているだけでなく、空間と時間そのものも含まれていたのです。 科学者たちは、この点を「ビッグバンの特異点」と呼んでいる。 私たちは、このすべてを包含する物体を、ある瞬間のある空間のある領域に置こうと考えるので、想像の域を出ません。 しかし、空間と時間は、この特異点から宇宙の他のすべてのものとともに生まれたのである。 なぜなら、特異点を置くための空間がまだ存在しなかったからだ。 特異点が生まれる前に何があったかを語ることはできない。なぜなら、時間というものがまだなかったからだ。 以前」という概念もなかった。 7654>

議論のために、宇宙が無限に古いという可能性を考えてみよう。 もしこれが本当なら、私たちが存在する前に、すでに無限の出来事が起こっていることになる。 時間を逆行させると、昨日の次は一昨日、その次は一昨日……と永遠に続いていることになる。 つまり、もし宇宙が無限に古かったら、今この瞬間は決して生まれないのです。 その前に無限の出来事が起こるはずで、それは不可能なのだ。 しかし、あなたが今、この文章を読んでいるように、明らかに「今」という瞬間は到来しているのです。 歴史上の出来事の積み重ねが今に至ったのだから、時間の始まりがあったはずだ。 ビッグバンによって、私たちの宇宙の時計は動き出しました。 もしかしたら、私たちの知らない何かが存在し、その未知のものから私たちの宇宙が芽生えたのかもしれません。 しかし、その未知のものを、私たちの宇宙の空間と時間と同じように考えることはできません。 もしかしたら、私たちがいる空間と時間の外に別の空間と時間があったのかもしれないし、空間と時間とはまったく異なるものが存在してビッグバンを生んだのかもしれない。 本当に分からないんです。 ここでは、私たちの宇宙の空間、時間、物質、エネルギーに焦点を当てて議論することにしましょう。 ビッグバン理論では、ビッグバンが起こった瞬間に何が起こったかを正確に説明することはできませんが、かなり近いところまで来ています。 最初の超微小な秒数(1兆分の1秒以下)の間に、ビッグバンの特異点には、現在と同じ量の物質とエネルギーが、異なる形で含まれていました。 これほど早い時期の物質の状態については、ほとんど分かっていない。 しかし、宇宙が信じられないほど急速に膨張し、「インフレーション」と呼ばれる時期に冷却されたことは分かっている。 7654>

このインフレーション期の終わりには、素粒子、光、エネルギーが存在していました。 素粒子というのは、原子よりもさらに小さい粒子で、私たちが知る限りでは、もっと小さな粒子に分解することができないものです。 さらに、「暗黒物質」と呼ばれる謎の物質も存在していたかもしれない。 素粒子と暗黒物質の話は後の章に譲るとして、

これらの粒子はすべて、信じられないほど高温の環境の中で信じられないほど速い速度で動いていた。 素粒子のいくつかは集まって陽子と中性子を形成した。 陽子と中性子は、原子の原子核を構成する粒子である。 原子核を構成する陽子と中性子の量は、原子の種類によって異なります。 (最も小さい原子核は、水素原子とヘリウム原子の原子核です。 陽子と中性子が数個しか入っていません。 ですから、宇宙が膨張と冷却を続ける中で、最初の20分で陽子と中性子が結合して、ヘリウム原子の原子核を形成することができたのです。 一方、電子はまだ自由に飛び回っていた。 7654>

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図1.1. これらは、水素原子とヘリウム原子の一般的な形である。 紫色の円は陽子、黄色は中性子、緑色は電子を表している。 (縮尺は変えていない。 実は、すべての画像は縮尺通りに描かれていないと思ってください)

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「光子」という光の粒子は、単独で移動し続けていた。 この光子は、マイクロ波放射という形で移動していた(光がどのような形をとるかについては、第5章で説明する)。 そして、「宇宙マイクロ波背景放射」と呼ばれるものになったのです。 この宇宙背景放射は、今日でも検出することができます。 実際、これは宇宙の歴史に関するビッグバン理論を支持する主な証拠の1つです。

水素とヘリウム原子が形成されると、宇宙は膨張と冷却を続けました。 ビッグバンから2億年が経過するころには、温度が著しく低下し、粒子のエネルギーが低下した。 そして、水素やヘリウムの原子が密集しているところでは、物質の重力によって原子が集まり、塊が形成されていた。 この物質の塊は、宇宙全体にほぼ一様に分布していた。 私たちが住んでいる天の川銀河のような銀河は、この塊から生まれました。 銀河の中では、より小さな密度の領域にある物質が、重力によって集まり続けていた。 そして、原子は核融合を起こすのに十分なほど接近した。 このとき、小さな原子の原子核が融合して大きな原子の原子核となり、エネルギーを放出する。 7654>

星の内部では、水素原子がヘリウム原子に融合し、その過程で光と熱を放出し続けました。 中には、水素がすべてヘリウムになり、さらにヘリウムが炭素や酸素などの重い元素になる星もありました。 しかし、重い元素を作る際には、それほど熱を発しないのです。 そのため、内側に向かう重力による圧力が、外側に向かう熱核発熱による圧力に勝り始めた。 大質量星では、これが星のコアを崩壊させる原因となった。 この最終段階にある大質量星は、幻想的な崩壊を遂げる。 コアが崩壊して超高密度の天体となり、外側が内側に追従する。 そして、星の大部分は高密度の核に弾き飛ばされ、宇宙の彼方へ飛び出していく。 このような星の爆発を超新星と呼びます。 超新星はより重い元素を宇宙に放出します。

そして、より重い元素は重力によって銀河の中に捕獲されます。 それらの元素は、惑星などの新しい天体を形成します。 地球自体も、宇宙初期の星の中でできた元素でできている。 そして、ビッグバンから約80億年後、地球をはじめとする天の川銀河にあるいくつかの惑星が太陽の周りを回るようになりました。 こうして、私たちの太陽系が形成されました。

星の中で生まれた元素が、地球で生命を誕生させたのです。 現在、私たちが回っている星(太陽)は、私たちが生きていくために必要な光とエネルギーを提供し続けている。 つまり、文字通り、私たちの存在は星々のおかげなのです。 私たちの体を構成する元素は星から来たものですから、ある意味、私たちは星屑です。

細かいことは省きましたが、約140億年の宇宙の誕生と成長をまとめてみました。 図1.2はこれらの出来事をまとめたものである。 この後の章では、この驚くべき宇宙の仕組みを説明し、その最も神秘的な特徴を探っていくことにする。 私たちは、自然界のすべての根底にある力を解き明かします。 空間、時間、粒子、力を理解することで、アインシュタインの革新的な相対性理論や量子力学の驚異的な性質に迫ることができるのです。 時間を越えて移動することが可能かどうかなど、物理学的な観点から興味深い問題を探求していきます。

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図1.2. ビッグバン以降の主なイベントの年表

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